三極管放大電路設(shè)計技巧詳解

放大電路的核心元件是三極管,所以要對三極管要有一定的了解。用三極管構(gòu)成的放大電路的種類較多,我們用常用的幾種來解說一下(如圖1)。圖1是一共射的基本放大電路,一般我們對放大路要掌握些什么內(nèi)容?

(1)分析電路中各元件的作用;

(2)解放大電路的放大原理;

(3)能分析計算電路的靜態(tài)工作點;

(4)理解靜態(tài)工作點的設(shè)置目的和方法。

以上四項中,最后一項較為重要。

圖1中,C1,C2為耦合電容,耦合就是起信號的傳遞作用,電容器能將信號信號從前級耦合到后級,是因為電容兩端的電壓不能突變,在輸入端輸入交流信號后,因兩端的電壓不能突變因,輸出端的電壓會跟隨輸入端輸入的交流信號一起變化,從而將信號從輸入端耦合到輸出端。但有一點要說明的是,電容兩端的電壓不能突變,但不是不能變。

R1、R2為三極管V1的直流偏置電阻,什么叫直流偏置?簡單來說,做工要吃飯。要求三極管工作,必先要提供一定的工作條件,電子元件一定是要求有電能供應(yīng)的了,否則就不叫電路了。

在電路的工作要求中,第一條件是要求要穩(wěn)定,所以,電源一定要是直流電源,所以叫直流偏置。為什么是通過電阻來供電?電阻就象是供水系統(tǒng)中的水龍頭,用調(diào)節(jié)電流大小的。所以,三極管的三種工作 狀態(tài)“:載止、飽和、放大”就由直流偏置決定,在圖1中,也就是由R1、R2來決定了。

首先,我們要知道如何判別三極管的三種工作狀態(tài),簡單來說,判別工作于何種工作狀態(tài)可以根據(jù)Uce的大小來判別,Uce接近于電源電壓VCC,則三極管就工作于載止?fàn)顟B(tài),載止?fàn)顟B(tài)就是說三極管基本上不工作,Ic電流較小(大約為零),所以R2由于沒有電流流過,電壓接近0V,所以Uce就接近于電源電壓VCC。

若Uce接近于0V,則三極管工作于飽和狀態(tài),何謂飽和狀態(tài)?就是說,Ic電流達(dá)到了最大值,就算Ib增大,它也不能再增大了。

以上兩種狀態(tài)我們一般稱為開關(guān)狀態(tài),除這兩種外,第三種狀態(tài)就是放大狀態(tài),一般測Uce接近于電源電壓的一半。若測Uce偏向VCC,則三極管趨向于載止?fàn)顟B(tài),若測Uce偏向0V,則三極管趨向于飽和狀態(tài)。

理解靜態(tài)工作點的設(shè)置目的和方法

放大電路,就是將輸入信號放大后輸出,(一般有電壓放大,電流放大和功率放大幾種,這個不在這討論內(nèi))。先說我們要放大的信號,以正弦交流信號為例說。在分析過程中,可以只考慮到信號大小變化是有正有負(fù),其它不說。上面提到在圖1放大電路電路中,靜態(tài)工作點的設(shè)置為Uce接近于電源電壓的一半,為什么?

這是為了使信號正負(fù)能有對稱的變化空間,在沒有信號輸入的時候,即信號輸入為0,假設(shè)Uce為電源電壓的一半,我們當(dāng)它為一水平線,作為一個參考點。當(dāng)輸入信號增大時,則Ib增大,Ic電流增大,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之增大,Uce=VCC-U2,會變小。U2最大理論上能達(dá)到等于VCC,則Uce最小會達(dá)到0V,這是說,在輸入信增加時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到0V.

同理,當(dāng)輸入信號減小時,則Ib減小,Ic電流減小,則電阻R2的電壓U2=Ic×R2會隨之減小,Uce=VCC-U2,會變大。在輸入信減小時,Uce最大變化是從1/2的VCC變化到VCC。這樣,在輸入信號一定范圍內(nèi)發(fā)生正負(fù)變化時,Uce以1/2VCC為準(zhǔn)的話就有一個對稱的正負(fù)變化范圍,所以一般圖1靜態(tài)工作點的設(shè)置為Uce接近于電源電壓的一半。

要把Uce設(shè)計成接近于電源電壓的一半,這是我們的目的,但如何才能把Uce設(shè)計成接近于電源電壓的一半?這就是的手段了。

這里要先知道幾個東西,第一個是我們常說的Ic、Ib,它們是三極管的集電極電流和基極電流,它們有一個關(guān)系是Ic=β×Ib,但我們初學(xué)的時候,老師很明顯的沒有告訴我們,Ic、Ib是多大才合適?這個問題比較難答,因為牽涉的東西比較的多,但一般來說,對于小功率管,一般設(shè)Ic在零點幾毫安到幾毫安,中功率管則在幾毫安到幾十毫安,大功率管則在幾十毫安到幾安。

在圖1中,設(shè)Ic為2mA,則電阻R2的阻值就可以由R=U/I來計算,VCC為12V,則1/2VCC為6V,R2的阻值為6V/2mA,為3KΩ。Ic設(shè)定為2毫安,則Ib可由Ib=Ic/β推出,關(guān)健是β的取值了,β一般理論取值100,則Ib=2mA/100=20#A,則R1=(VCC-0.7V)/Ib=11.3V/20#A=56.5KΩ,但實際上,小功率管的β值遠(yuǎn)不止100,在150到400之間,或者更高,所以若按上面計算來做,電路是有可能處于飽和狀態(tài)的,所以有時我們不明白,計算沒錯,但實際不能用,這是因為還少了一點實際的指導(dǎo),指出理論與實際的差別。這種電路受β值的影響大,每個人計算一樣時,但做出來的結(jié)果不一定相同。也就是說,這種電路的穩(wěn)定性差,實際應(yīng)用較少。但如果改為圖2的分壓式偏置電路,電路的分析計算和實際電路測量較為接近。

在圖2的分壓式偏置電路中,同樣的我們假設(shè)Ic為2mA,Uce設(shè)計成1/2VCC為6V。則R1、R2、R3、R4該如何取值呢。計算公式如下:因為Uce設(shè)計成1/2VCC為6V,則Ic×(R3+R4)=6V;Ic≈Ie。可以算出R3+R4=3KΩ,這樣,R3、R4各是多少?

一般R4取100Ω,R3為2.9KΩ,實際上R3我們一般直取2.7KΩ,因為E24系列電阻中沒有2.9KΩ,取值2.7KΩ與2.9KΩ沒什么大的區(qū)別。因為R2兩端的電壓等于Ube+UR4,即0.7V+100Ω×2mA=0.9V,我們設(shè)Ic為2mA,β一般理論取值100,則Ib=2mA/100=20#A,這里有一個電流要估算的,就是流過R1的電流了,一般取值為Ib的10倍左右,取IR1200#A。則R1=11.1V/200#A≈56KΩR2=0.9V(/200-20)#A=5KΩ;考慮到實際上的β值可能遠(yuǎn)大于100,所以R2的實際取值為4.7KΩ。這樣,R1、R2、R3、R4的取值分別為56KΩ,4.7KΩ,2.7KΩ,100Ω,Uce為6.4V。

在上面的分析計算中,多次提出假設(shè)什么的,這在實際應(yīng)用中是必要的,很多時候需要一個參考值來給我們計算,但往往卻沒有,這里面一是我們對各種器件不熟悉,二是忘記了一件事,我們自己才是用電路的人,一些數(shù)據(jù)可以自己設(shè)定,這樣可以少走彎路。